黑洞(成品-141趙旭東,135袁凱文小組)

黑洞空間Themysteryofblackholes期號(hào)：001黑洞奧秘又何為黑洞最新霍金提出的與廣義相對(duì)論的黑洞理論又為何物1黑洞之旅開始了2Themysteryofblackholes黑洞奧秘目錄CONTENTS31.黑洞初識(shí)4-102.認(rèn)識(shí)超行星11-12

3.宇宙大爆炸13-144.黑洞之演化過程15-16

初識(shí)黑洞4黑洞之廣義相對(duì)論5

黑洞這個(gè)詞可能會(huì)讓人聯(lián)想到一個(gè)黑色的大窟窿，進(jìn)去了就出不來了！這其實(shí)也就是廣義相對(duì)論下黑洞差不多了——黑洞（英文：Blackhole）根據(jù)廣義相對(duì)論所預(yù)言、在宇宙空間中存在的一種質(zhì)量相當(dāng)大的天體和星體（非一個(gè)“洞”）。黑洞是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應(yīng)的燃料耗盡后，發(fā)生引力坍縮而形成。黑洞的質(zhì)量太大，它產(chǎn)生的引力場(chǎng)過于強(qiáng)，以致于任何物質(zhì)和輻射都無法逃逸，就連傳播速度最快的光（電磁波）也逃逸不出來。由于類似熱力學(xué)上完全不反射光線的黑體，故名黑洞。在黑洞的周圍，是一個(gè)無法偵測(cè)的事件視界，標(biāo)志著無法返回的臨界點(diǎn)。

黑洞很容易讓人望文生義想象成一個(gè)大窟窿！基本簡介：超新星爆炸除了往外炸開的殘骸之外，原先核心部分仍繼續(xù)向內(nèi)塌縮。這時(shí)有兩種可能的情況會(huì)發(fā)生。核心質(zhì)量很大的，一般認(rèn)為大約大于3到5個(gè)太陽質(zhì)量，會(huì)一直塌縮下去，變成一種很奇怪的物體:黑洞。黑洞質(zhì)量無限大，可是體積卻無限小，所以在天文學(xué)上稱之為“奇點(diǎn)”。研究歷史：

歷史上，第一個(gè)意識(shí)到一個(gè)致密天體密度可以大到連光都無法逃逸的人是英國地理學(xué)家JohnMichell。他是在1783年寫給亨利·卡文迪什的一封信中提出這個(gè)想法的，他認(rèn)為一個(gè)和太陽同等質(zhì)量的天體，如果半徑只有3公里，那么這個(gè)天體是不可見的，因?yàn)楣鉄o法逃離天體表面。1796年，法國物理學(xué)家拉普拉斯曾預(yù)言：“一個(gè)質(zhì)量如250個(gè)太陽，而直徑為地球的發(fā)光恒星，由于其引力的作用，將不允許任何光線離開它。由于這個(gè)原因，宇宙中最大的發(fā)光天體，卻不會(huì)被我們看見”。

美國宇航局2010年11月15日發(fā)現(xiàn)地球附近有一個(gè)年僅30歲的黑洞，這也是人類科學(xué)史上發(fā)現(xiàn)的最年輕的黑洞。美國宇航局聲稱，這個(gè)黑洞將能夠幫助科學(xué)家更好地理解大質(zhì)量恒星是如何爆炸的，恒星爆炸后留下的是黑洞還是中子星，以及銀河系和其他星系黑洞的數(shù)量吸積是什么我們將在后面再介紹如何觀測(cè)？既然黑洞發(fā)出的光線無法逃逸，那我們?cè)撊绾斡^測(cè)呢？(1)雙星吸積，即黑洞對(duì)周圍恒星的吸積現(xiàn)象是可以被觀測(cè)的。(2)黑洞接近無限大的引力可以某恒星的光線彎曲很厲害產(chǎn)生的引力透鏡讓我們看到恒星的全貌，即使該恒星背面我們沒有黑洞幫忙是永遠(yuǎn)也看不到的。(3)黑洞吸積物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)大的X射線暴。我們的科學(xué)家就是通過這些現(xiàn)象再加以計(jì)算推斷就知道是不是黑洞了。

黑洞（上）6黑洞（中）7黑洞（下）81黑洞新定論

取而代之的，霍金提出一個(gè)所謂“視邊界”的名詞，并將其定義為光線無法從中逃逸的界面。根據(jù)廣義相對(duì)論，對(duì)于一個(gè)不發(fā)生變化的穩(wěn)定黑洞，這樣的兩個(gè)邊界是相同的，因?yàn)樵噲D從黑洞內(nèi)部向外逃逸的光線最終只能抵達(dá)事件邊界，此后就無法再繼續(xù)往前，就像人在跑步機(jī)上奔跑。但理論上看，這兩個(gè)邊界定義也有可能不出現(xiàn)重合。條件是如果黑洞正不斷吞噬新的物質(zhì)，此時(shí)其事件邊界將會(huì)不斷擴(kuò)張，使其比“視邊界”的范圍更大。

如果霍金是正確的，那么黑洞的核心甚至也可能并不存在所謂的奇點(diǎn)。相反，物質(zhì)只會(huì)被暫時(shí)性的困在黑洞視邊界后方，并在黑洞引力作用下不斷向下掉落，但永遠(yuǎn)不會(huì)抵達(dá)其核心并被壓碎。有關(guān)這些物質(zhì)的信息也不會(huì)被毀滅，但會(huì)被完全攪亂，以至于當(dāng)其最終被通過霍金輻射的形式再次釋放出去時(shí)，這些信息已經(jīng)面目全非，幾乎不可能再解譯出其當(dāng)初的模樣。佩吉表示：“這簡直比你想從已經(jīng)燒成灰的書本中恢復(fù)上面寫的內(nèi)容還要困難?！痹谒恼撐闹校艚饎t將其比作對(duì)天氣的提前預(yù)報(bào)——從理論上看是可能的，但實(shí)際上你永遠(yuǎn)無法在很高的精度上實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。9

相反的，在上世紀(jì)1970年代，霍金曾經(jīng)提出黑洞會(huì)“蒸發(fā)”的觀點(diǎn)，即通過所謂“霍金輻射”的方式散失能量并不斷收縮。在這種情況下，理論上說事件邊界將會(huì)逐漸縮小到比視邊界更小的范圍。而此次霍金的最新理論認(rèn)為這一視邊界應(yīng)當(dāng)被作為是黑洞的真實(shí)邊界。在論文中，霍金寫道：“沒有事件邊界就意味著不存在黑洞——如果我們對(duì)黑洞的定義是光線永遠(yuǎn)無法從中逃脫的話?！?/p>

黑洞是宇宙中最奇特和最神秘的天體，是超強(qiáng)引力源，時(shí)空的扭曲者，其超強(qiáng)引力使得連宇宙中跑的最快的光都會(huì)被它拉住，而逃不出它的“魔掌”,它是在時(shí)間和空間中形成的“洞”.它在不斷地吸積著周圍的物質(zhì)，質(zhì)量增加，它是空中的“強(qiáng)盜”，光子的“牢籠”。它貪得無厭，永不停息地吞噬著周圍的一切，這就是黑洞的經(jīng)典圖象——這便是大多數(shù)是普通人對(duì)黑洞的見解，但是事情并非此?。?！黑洞新定論其實(shí)黑洞并不存在！！10超新星

——多種恒星生命的最后歸宿超新星是某些恒星在演化接近末期時(shí)經(jīng)歷的一種劇烈爆炸。這種爆炸都極其明亮，過程中所突發(fā)的電磁輻射經(jīng)常能夠照亮其所在的整個(gè)星系，并可持續(xù)幾周至幾個(gè)月才會(huì)逐漸衰減變?yōu)椴豢梢?。在這段期間內(nèi)一顆超新星所輻射的能量可以與太陽在其一生中輻射能量的總和相媲美。恒星通過爆炸會(huì)將其大部分甚至幾乎所有物質(zhì)以可高至十分之一光速的速度向外拋散，并向周圍的星際物質(zhì)輻射激波。這種激波會(huì)導(dǎo)致形成一個(gè)膨脹的氣體和塵埃構(gòu)成的殼狀結(jié)構(gòu)，這被稱作超新星遺跡。

在一顆大質(zhì)量恒星（a）的演化后期，不同元素構(gòu)成的洋蔥層狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行核聚變反應(yīng)并形成鐵核（b）。鐵核的質(zhì)量達(dá)到錢德拉塞卡極限并開始坍縮，鐵核內(nèi)部的原子核被壓縮為中子（c），導(dǎo)致內(nèi)陷的物質(zhì)反彈（d）并輻射向外傳播的激波（紅色表示）。激波因能量消耗而停止傳播（e），但由由于某一過程（可能與中微子的相互作用有關(guān)）重新獲得能量。這導(dǎo)致了周圍物質(zhì)因爆炸而向四面八方噴射（f），只留下一塊中子簡并的殘余（中子星）。當(dāng)前的研究模型超新星內(nèi)核的坍縮速度可以達(dá)到每秒七萬千米，這個(gè)過程會(huì)導(dǎo)致內(nèi)核的溫度和密度發(fā)生急劇增長。內(nèi)核的這一能量損失過程終止了向外的簡并壓力與向內(nèi)引力的彼此平衡。在光致蛻變的作用下，γ射線將鐵原子分解為氦原子核并釋放中子，同時(shí)吸收能量；而質(zhì)子和電子則通過電子俘獲過程（不可逆β衰變）合并，產(chǎn)生中子和逃逸的中微子。

11超新星he黑洞

光怪陸離的超新星遺跡或存在“千歲黑洞”令人驚訝的黑洞會(huì)“打嗝”2014年5月19日國外媒體報(bào)道，NASA“錢德拉”X射線空間望遠(yuǎn)鏡的最新觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)罕見的“神秘爆發(fā)”創(chuàng)造了我們銀河系最年輕的黑洞，在一個(gè)超新星殘骸附近，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了可能是銀河系中最年輕黑洞的蹤跡，這處超新星殘骸被稱為W49B，在此之前，W49B被認(rèn)為是一處強(qiáng)伽馬射線暴天體，最新的研究顯示超新星遺跡中存在物質(zhì)流拋射的現(xiàn)象，其距離我們大約2.6萬光年，年齡在一千多歲左右。然而，錢德拉望遠(yuǎn)鏡對(duì)這片區(qū)域的X射線以及射電脈沖檢測(cè)后并沒有發(fā)現(xiàn)中子星，麻省理工學(xué)院的丹尼爾·卡斯特羅認(rèn)為這顆超新星爆發(fā)后形成了一個(gè)非常年輕的黑洞，在行為上看，W49B像是一臺(tái)噴泵，而伽瑪射線暴則標(biāo)志著黑洞的誕生。6月4日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，黑洞也會(huì)“打嗝”，你相信嗎？天文學(xué)家日前觀察到在遙遠(yuǎn)的星系中心發(fā)生了一次黑洞“打嗝”現(xiàn)象。科學(xué)家表示黑洞“打嗝”時(shí)所釋放出的亮度相當(dāng)于是星系中最大恒星爆炸時(shí)的10倍。上述黑洞“打嗝”現(xiàn)象是在天文學(xué)家研究NGC660星系的過程中發(fā)現(xiàn)的，該星系與雙魚座星系相距4400萬光年。位于波多黎各阿雷西博天文臺(tái)（AreciboObservatory）的研究人員羅伯特-明欽（RobertMinchin）在發(fā)表的一份聲明中表示：“上述現(xiàn)象是我們?cè)谂既磺闆r下發(fā)現(xiàn)的。事實(shí)上，我們對(duì)于遙遠(yuǎn)星系中黑洞的觀察已經(jīng)持續(xù)了數(shù)年時(shí)間，我們發(fā)現(xiàn)黑洞在“打嗝”時(shí)，星系的狀態(tài)由穩(wěn)定向不穩(wěn)定劇烈轉(zhuǎn)變?！庇邪⒗孜鞑┨煳呐_(tái)的科學(xué)家認(rèn)為黑洞的打嗝現(xiàn)象實(shí)則為一種向外噴氣現(xiàn)象。12

早在1929年，埃德溫·哈勃作出了一個(gè)具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)，宇宙正在不斷膨脹。這意味著，在早先星體相互之間更加靠近。事實(shí)上，似乎在大約100億至200億年之前的某一時(shí)刻，它們剛好在同一地方，所以哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示存在一個(gè)叫做大爆炸的時(shí)刻，當(dāng)時(shí)宇宙無限緊密。研究歷程1950年前后，伽莫夫第一個(gè)建立了熱大爆炸的觀念。這個(gè)創(chuàng)生宇宙的大爆炸不是習(xí)見于地球上發(fā)生在一個(gè)確定的點(diǎn)，然后向四周的空氣傳播開去的那種爆炸，而是一種在各處同時(shí)發(fā)生，從一開始就充滿整個(gè)空間的那種爆炸，爆炸中每一個(gè)粒子都離開其它每一個(gè)粒子飛奔。事實(shí)上應(yīng)該理解為空間的急劇膨脹。"整個(gè)空間"可以指的是整個(gè)無限的宇宙，或者指的是一個(gè)就象球面一樣能彎曲地回到原來位置的有限宇宙。1932年勒梅特首次提出現(xiàn)代宇宙大爆炸理論，1946年美國物理學(xué)家伽莫夫正式提出大爆炸理論，認(rèn)為宇宙由大約200億年前發(fā)生的一次大爆炸形成的。

1946年美國物理學(xué)家伽莫夫正式提出大爆、炸理論，認(rèn)為宇宙由大約200億年前發(fā)生的一次大爆炸形成的。

爆炸之初，物質(zhì)只能以中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等基本粒子形態(tài)存在。宇宙爆炸之后的不斷膨脹，導(dǎo)致溫度和密度很快下降。隨著溫度降低、冷卻，逐步形成原子、原子核、分子，并復(fù)合成為通常的氣體。氣體逐漸凝聚成星云，星云進(jìn)一步形成各種各樣的恒星和星系，最終形成我們現(xiàn)在所看到的宇宙。宇宙大爆炸13宇宙大爆炸14

黑洞通常是因?yàn)樗鼈兙蹟n周圍的氣體產(chǎn)生輻射而被發(fā)現(xiàn)的，這一過程被稱為吸積。高溫氣體輻射熱能的效率會(huì)嚴(yán)重影響吸積流的幾何與動(dòng)力學(xué)特性。觀測(cè)到了輻射效率較高的薄盤以及輻射效率較低的厚盤。當(dāng)吸積氣體接近中央黑洞時(shí)，它們產(chǎn)生的輻射對(duì)黑洞的自轉(zhuǎn)以及視界的存在極為敏感。對(duì)吸積黑洞光度和光譜的分析為旋轉(zhuǎn)黑洞和視界的存在提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。數(shù)值模擬也顯示吸積黑洞經(jīng)常出現(xiàn)相對(duì)論噴流也部分是由黑洞的自轉(zhuǎn)所驅(qū)動(dòng)的。通常天體物理學(xué)家會(huì)用“吸積”這個(gè)詞來描述物質(zhì)向中央引力體或者是中央延展物質(zhì)系統(tǒng)的流動(dòng)。吸積是天體物理中最普遍的過程之一，而且也正是因?yàn)槲e才形成了我們周圍許多常見的結(jié)構(gòu)。在宇宙早期，當(dāng)氣體朝由暗物質(zhì)造成的引力勢(shì)阱中心流動(dòng)時(shí)形成了星系。即使到了今天，恒星依然是由氣體云在其自身引力作用下坍縮碎裂，進(jìn)而通過吸積周圍氣體而形成的。行星（包括地球）也是在新形成的恒星周圍通過氣體和巖石的聚集而形成的。當(dāng)中央天體是一個(gè)黑洞時(shí)，吸積就會(huì)展現(xiàn)出它最為壯觀的一面。黑洞除了吸積物質(zhì)之外，還通過霍金蒸發(fā)過程向外輻射粒子。吸積

由于黑洞的密度極大，根據(jù)公式我們可以知道密度=質(zhì)量/體積，為了讓黑洞密度無限大，那就說明黑洞的體積要無限小，然后質(zhì)量要無限大，這樣才能成為黑洞。黑洞是由一些恒星“滅亡”后所形成的死星，它的質(zhì)量極大，體積極小。但黑洞也有滅亡的那天，按照霍金的理論，在量子物理中，有一種名為“隧道效應(yīng)”的現(xiàn)象，即一個(gè)粒子的場(chǎng)強(qiáng)分布雖然盡可能讓能量低的地方較強(qiáng)，但即使在能量相當(dāng)高的地方，場(chǎng)強(qiáng)仍會(huì)有分布，對(duì)于黑洞的邊界來說，這就是一堵能量相當(dāng)高的勢(shì)壘，但是粒子仍有可能出去?；艚疬€證明，每個(gè)黑洞都有一定的溫度，而且溫度的高低與黑洞的質(zhì)量成反比例。也就是說，大黑洞溫度低，蒸發(fā)也微弱；小黑洞的溫度高蒸發(fā)也強(qiáng)烈，類似劇烈的爆發(fā)。一個(gè)太陽大的黑洞，大約要1后面66個(gè)0年才能蒸發(fā)殆盡；一顆小行星大小的黑洞會(huì)在1小數(shù)點(diǎn)后面21個(gè)0加1012秒內(nèi)蒸發(fā)得干干凈凈。黑洞演化之吸積與蒸發(fā)15最后的生命毀滅

黑洞會(huì)發(fā)出耀眼的光芒，體積會(huì)縮小，甚至?xí)?。?dāng)英國物理學(xué)家史蒂芬?霍金于1974年做此預(yù)言時(shí)，整個(gè)科學(xué)界為之震動(dòng)?；艚鸬睦碚撌鞘莒`感支配的思維的飛躍，他結(jié)合了廣義相對(duì)論和量子理論，他發(fā)現(xiàn)黑洞周圍的引力場(chǎng)釋放出能量，同時(shí)消耗黑洞的能量和質(zhì)量。假設(shè)一對(duì)粒子會(huì)在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)被創(chuàng)生，被創(chuàng)生的粒子就是正粒子與反粒子，而如果這一創(chuàng)生過程發(fā)生在黑洞附近的話就會(huì)有兩種情況發(fā)生：兩粒子湮滅、一個(gè)粒子被吸入黑洞。“一個(gè)粒子被吸入黑洞”這一情況：在黑洞附近創(chuàng)生的一對(duì)粒子其中一個(gè)反粒子會(huì)被吸入黑洞，而正粒子會(huì)逃逸，由于能量不能憑空創(chuàng)生，我們?cè)O(shè)反粒子攜帶負(fù)